Study of Intelligent Analysis on Bridge Load Testing System BLT
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摘要: 桥梁荷载试验分析系统BLT是一款由交通运输部公路科学研究院开发的用于公路、市政项目中桥梁荷载试验的专业软件。该系统基于参数化建模技术能够方便快捷地建立桥梁结构空间有限元模型，运用OpenGL图形平台技术建立桥梁三维浏览和后处理云图显示平台。BLT系统采用实体单元和空间梁格进行静动载试验分析，简化计算参数实现计算精度和效率的有机结合，紧密结合荷载试验规程自动推荐荷载试验方案和布置试验测点，能够自动进行荷载布置计算，查取测点位置的应力和位移理论计算值，查阅应力和位移云图等，并且最终输出荷载试验方案和荷载试验报告。相对于过去常用软件的荷载试验解决手段，该系统的荷载试验智能化程度高，提高了桥梁荷载试验检测工作效率，是桥梁荷载试验工程们的一款高效辅助工具。本文详细介绍过去常用同类软件存在问题、本系统的技术特点以及实桥应用算例等。Abstract: Bridge load testing analysis system software BLT was specially used for bridge load testing in Highway or Civic Project, which was developed by Research Institute of Highway Ministry of Transport. It can establish a bridge three-dimensional finite element model, based on parameterized modeling technology, making a three-dimensional model browsing and post-processingcloud picture display platform based on OpenGL graphic technology. BLT system could make the static and dynamic test analysis based on solid element and space beam gird element, simplifying calculation parameters to realize the organic combination of calculate precision and efficiency. It could automatically recommend load testing scheme closely based on regulations and automatically calculate loading arrangement, as well as investigating the theoretical calculations of stress and displacement in the location of the measurement points and consulting the stress and displacement nephogram, and also finally output load test scheme and report.Comparing with solutions of the past software, this system is of high intelligence in Load Testing and improves the efficiency of bridge Load testing, which is a useful auxiliary tool for bridge detection engineers. This paper introduces the problems of past similar software, the characteristics of the system, as well as the real bridge application examples.
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1. 引言
桥梁荷载试验的目的是通过对桥梁施加荷载作用，测定桥梁结构在试验荷载作用下的响应(应变、静位移以及裂缝等)，并据此评价桥梁技术状况，记录桥梁基本特征，为桥梁承载能力评定和日后养护、维修和加固的决策提供科学依据和支持。桥梁荷载试验可用于：
(1) 检验桥梁结构设计与施工质量鉴定；
(2) 验证桥梁结构设计理论和计算方法；
(3) 直接了解桥梁结构承载情况，借以判断桥梁结构实际的承载能力；
(4) 积累科学技术资料，充实与发展桥梁计算理论和施工技术。
桥梁荷载试验主要内容包括：明确荷载试验的目的、试验准备工作、加载方案设计，测点设置与测试加载控制与安全措施，试验结果分析与承载力评定，试验报告编写。
过去没有针对桥梁试验分析开发的专用软件，桥梁检测工程师们需要借用桥梁结构分析、设计软件或大型有限元程序进行分析。由于缺乏桥梁荷载试验相关功能模块，这些软件存在不同程度的工作效率低、准确度不高等问题。
桥梁荷载试验分析系统(简称BLT)是一款用于公路、市政项目中桥梁荷载试验的专业软件。系统基于参数化建模技术快速建立空间模型，紧密结合相关规范自动推荐荷载试验方案和布置试验测点，简化计算参数实现计算精度和效率的有机结合，自动输出荷载试验方案及报告。BLT由交通运输部公路科学研究院主持研发，其前身为QLJC(2003年依托科研项目研发), 经过近10年的改进、完善，QLJC经历了1.0、2.0、2010版本。2012年，在QLJC的基础上，采用新的软件开发平台、新的计算内核，公路院开发了全新的桥梁荷载试验分析系统BLT。
2. 过去常用软件及存在问题
桥梁荷载试验分析的基础是桥梁结构的动静力分析，需借助结构分析软件完成。过去没有针对桥梁荷载试验分析的专用软件，工程师通常采用通用有限元程序或桥梁结构设计软件进行分析。通用有限元程序单元类型丰富、计算功能强大，但桥梁的专用性较差，建模繁琐，公路设计荷载模拟有一定难度，且后处理工作量巨大。桥梁结构分析设计软件，设计参数如混凝土收缩徐变、施工阶段等对于桥梁荷载试验分析是不必要的，而且桥梁荷载试验分析关心的加载情况下结构局部应力、横桥向变形等的计算，空间梁格系的设计软件不能胜任。此外，桥梁结构设计软件和通用有限元软件均未提供专门针对荷载试验特点的模块，例如荷载效率计算、车辆荷载选择及布置、测点布置、测点结果提取以及荷载报告输出等，使之进行荷载试验方案计算操作等都比较麻烦，往往要消耗工程师很多的时间和精力，工作效率难以提高。随着近几十年来桥梁的大规模建设，越来越多的新桥建成验收以及在役桥梁承载能力评定对荷载试验的需求，如何提高工作效率和准确度是迫切需要解决的问题。
3. 智能荷载试验的分析技术
3.1 BLT软件的研发目的
鉴于上述问题，交通运输部公路科学研究所针对桥梁荷载试验分析的智能化、自动化开展研究，研发了“桥梁荷载试验分析软件BLT”。该软件能够依据现行规范，对桥梁结构自动进行荷载试验方案设计，并快速查找荷载作用下测点的理论值，方便与实测值进行比较，最终自动输出荷载试验报告，实现荷载试验分析的智能化和自动化，给检测工程师们提供方便快捷的计算工具，有效地提高工作效率，更好地服务于交通建设事业的发展。
3.2 智能的荷载试验方案确定
系统依据《公路桥梁承载能力评定规程(JTG/T J21-2011)》和《公路桥梁荷载试验规程(征求意见稿)》，根据桥梁结构形式(包括梁桥、拱桥、斜拉桥等)、试验目的，自动推荐试验孔及试验工况，通过计算桥梁结构的内力影响线按照最不利受力原则确定测试截面位置。测试内容包括弯矩、剪力、轴力及挠度，加载方式分为汽车荷载和其他荷载(集中荷载和均布荷载)。用户亦可根据需要修改或添加控制截面和试验工况。
荷载试验方案首先应确定试验测试断面的设计荷载效应。程序根据结构参数和输入的设计荷载等级，自动计算冲击系数，结合横向分布系数用动态规划方法计算各工况下的控制截面的设计荷载效应。
然后，根据试验用车辆的重量、长度等参数(默认几种常用标准车型，如汽-20标准车，汽-20重车等)，BLT软件通过内部运算，得到满足荷载效率区间值的荷载布置方案。其运算原理是通过对各个工况的控制截面的影响线进行动态加载，计算得到的试验荷载效应与设计荷载效应对比，通过移动荷载位置，增减荷载的个数，最终达到目标范围内的荷载效率，并确保其他截面的荷载效率没有超出上限。“自动荷载试验方案”功能模块有效地避免了用户使用通用有限元软件或桥梁结构设计软件时，需要手工反复调整车辆布置试算的较为繁琐的计算过程，可方便快捷地达到理想荷载布置方案，见图 1。对于验收性荷载试验，荷载效率默认介于0.85~1.05之间，对于鉴定性荷载试验，荷载效率默认介于0.95~1.05之间，用户也可根据实际试验需求修改荷载效率目标范围。
程序可根据试验目的、试验工况、测试断面等信息自动确定测试点的个数和位置，包括应变或位移测试的位置点，测点的理论值将在结构计算后以表格的形式列出，直观反映桥梁结构受力和变形特征，便于检测人员与实测值进行比对。系统根据桥梁荷载试验规程自动布置各个控制截面的测点，能够满足用户的一般要求，用户也可根据需要手动修改和添加测点。
3.3 智能的三维实体单元建模
除提供传统梁格系单元外，三维实体(板壳)单元是BLT软件突出的特点。荷载试验关心的是结构局部应力变化和变形情况，实体单元无疑比梁格单元更适合荷载试验分析。为解决实体单元建模复杂的弊端，BLT软件的建模方式是从平面模型自动转化为空间模型，即用户只需按照传统梁格建模方法输入简单参数，程序会根据横断面等信息自动生成三维实体单元模型。相同的参数输入可同时采用梁格单元计算或实体(板壳)单元计算，方便用户根据需要选择计算方法。
实体单元模型的计算精度和计算规模成正比，精度的提高意味着计算时间、容量的增加。为解决这一难题，软件可采用局部加密的方法，在试验测试断面附近的单元划分更细，使得全桥结构单元数量增加有限的情况下，测试断面(用户关心的部位)获得更高的精度。
3.4 荷载试验报告自动输出
荷载试验报告编制也是桥梁荷载重要内容之一。软件自动输出的荷载试验报告内容包括桥梁结构模型、荷载试验方案、试验荷载效率、测点布置图表、荷载作用应力及变形云图、理论值与实测值对比等。试验报告的自动输出将大大减轻检测人员的工作量，使荷载试验报告的编制更规范、快捷。
4. 应用实例
(1) 等宽变高连续刚构桥梁
某新建桥梁，位于青海省化隆县境内，横跨黄河，荷载等级为公路I级，桥上部结构采用75m+2×120m+75m变截面连续刚构梁。变截面段建模由程序根据端部关键截面信息通过幂函数线性差值得到。全桥采用实体单元模型，实体单元15 710个，支撑单元10个，全部由程序根据截面、构件长度等参数自动建模，这样的模型如果按传统方法手工方法建模工作量非常巨大。
BLT程序根据试验规程推荐各个工况的控制截面、测试内容(弯矩、剪力、轴力及挠度)，并根据设计荷载及试验车辆等参数，自动计算满足要求荷载效率的试验布载方案，如图 7为中跨跨中截面弯矩和挠度最不利位置布载，横桥向对称布载，采用单辆重约300kN的三轴载重汽车作为试验车辆。程序根据控制截面位置及形状参数，自动推荐符合规范要求的测点布置方案，如图 8所示。
结构计算后，测点位置的理论值可自动提取。该桥中跨跨中断面实测应力、竖向挠度值与理论值对比结果见表 1(测点编号从左至右依次编号)。
表 1 跨中断面实测应变、竖向挠度值与理论值对比结果位置 单位 理论值 实测值 校验系数 相对残余% B-1 MPa 3.67 2.45 0.67 1.87% B-2 MPa 3.57 3.02 0.85 12.32% B-3 MPa 3.58 1.78 0.50 9.45% B-4 MPa 3.58 1.90 0.53 0.56% B-5 MPa 3.57 2.43 0.68 5.32% B-6 MPa 3.67 1.80 0.50 1.56% R-1 mm -0.09 -0.06 0.66 0.00% R-2 mm -0.09 -0.09 0.99 0.00% (2) 变宽等高桥梁
某高速公路枢纽立交桥监测项目采用桥梁荷载试验分析系统BLT分析计算。该桥是一座变宽单箱多室连续箱梁，跨径布置3*30m，箱梁采用C50混凝土。模型建立过程中，将桥面系划分为若干个单元，每个单元两端的截面随着宽度的变化而不同，横隔板由非桥面系单元模拟，全桥采用实体单元模型，实体单元13 981个，杆单元16个，有限元模型参见图 9。
该验算工况为：横向等间距布置四辆汽-20重车，前轴距端部8m，为准确反映该工况下的桥梁结构受力情况，监测桥跨应力、竖向挠度的测点均布置在边跨跨中位置，见图 10。
该桥边跨跨中断面应力、竖向挠度理论值结果见表 2。
表 2 边跨跨中断面应力理论结果编号 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 单位 理论值 -0.452 1.266 1.764 1.425 1.457 1.444 1.753 1.250 -0.455 Mpa 从表 2和表 3可以看出：在当边跨在对称布载作用下，应力和位移计算值对称连续分布，符合力学规律，截面不同位置的应力和位移计算值有所不同。这种变宽桥梁用空间梁格模型计算误差较大，用实体单元建模计算比较符合结构实际受力状态。
表 3 边跨跨中断面竖向挠度理论值结果编号 C10 C11 C12 C13 C14 单位 理论值 -3.926 -3.727 -3.670 -3.710 -3.906 mm 5. 结语
桥梁荷载试验分析对于记录桥梁基本特征，评价桥梁技术状况，养护、维修和加固的决策意义重大。提高桥梁荷载试验分析的效率和精度是相关软件的努力方向和目标。交通运输部公路科学研究院开发的“桥梁荷载试验分析系统BLT”软件针对性强，使用简便，实现了荷载试验分析的智能化和自动化，能够有效地提高工作效率和准确性，更好地服务于交通建设事业的发展。
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表 1 跨中断面实测应变、竖向挠度值与理论值对比结果
位置 单位 理论值 实测值 校验系数 相对残余% B-1 MPa 3.67 2.45 0.67 1.87% B-2 MPa 3.57 3.02 0.85 12.32% B-3 MPa 3.58 1.78 0.50 9.45% B-4 MPa 3.58 1.90 0.53 0.56% B-5 MPa 3.57 2.43 0.68 5.32% B-6 MPa 3.67 1.80 0.50 1.56% R-1 mm -0.09 -0.06 0.66 0.00% R-2 mm -0.09 -0.09 0.99 0.00% 
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表 2 边跨跨中断面应力理论结果
编号 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 单位 理论值 -0.452 1.266 1.764 1.425 1.457 1.444 1.753 1.250 -0.455 Mpa
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[1] 徐光辉, 胡明义.公路桥涵设计手册(上册).北京:人民交通出版社, 1996.3 [2] 姚铃森.桥梁工程.北京:人民交通出版社, 1985.5 [3] K.J.巴特、E.I.威尔逊.有限元分析中的数值方法.科学出版社.1985.5 [4] 公路旧桥承载能力评定方法(试行). 北京: 人民交通出版社, 1988.
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